يقوم العلماء بتطوير أغشية نقل أيونية عالية السرعة لتطبيقات الطاقة النظيفة
وجدت دراسة جديدة نشرت في مجلة تكنولوجيا النانو Nature Nanotechnology التابعة لمجموعة Nature Nanotechnology أن الأنابيب النانوية من نيتريد البورون المجهرية يمكنها نقل أيونات الليثيوم بسرعات أكبر بكثير مما كان متوقعًا في السابق. تبين أن هذه القنوات الصغيرة على شكل أنبوب تحرك أيونات الليثيوم بشكل انتقائي بينما تحجب العديد من الأيونات الأخرى، مما يخلق مسارًا عالي السرعة لنقل الليثيوم. تشير النتائج إلى أن الأنابيب النانوية من نيتريد البورون يمكن أن تكون بمثابة منصة واعدة لتقنيات الفصل من الجيل التالي. وتشمل التطبيقات المحتملة إنتاج الطاقة النظيفة، بما في ذلك أنظمة الطاقة الزرقاء التي تولد الطاقة من خلط المياه المالحة والمياه العذبة، بالإضافة إلى استخراج الليثيوم الأكثر كفاءة لتصنيع البطاريات. آلية نقل الأيونات الجديدة تتجاوز التوقعات النظرية وفقًا لسانجيل كيم، فإن آلية النقل التي تم تحديدها حديثًا تمكن أيونات الليثيوم من التحرك عبر الأنابيب النانوية بسرعات عالية بشكل استثنائي. وأشار كيم، الأستاذ المشارك في الهندسة الكيميائية بجامعة إلينوي شيكاغو والمؤلف المشارك للدراسة، إلى أن معدلات نقل الأيونات المرصودة تجاوزت بشكل كبير كلاً من التنبؤات النظرية والنتائج الواردة في الأنظمة التجريبية الحالية، مما يسلط الضوء على الكفاءة غير العادية للنهج القائم على الأنابيب النانوية. يلعب النقل الأيوني الفعال دورًا حاسمًا في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. عندما تذوب الأملاح في الماء، فإنها تنقسم إلى أيونات موجبة وسالبة الشحنة، والتي تنتقل عبر القنوات النانوية بسرعات مختلفة. تعد إدارة ومراقبة حركة الأيونات عبر الأغشية أمرًا ضروريًا لتطوير التقنيات مثل البطاريات وأنظمة تحلية المياه واستخراج المعادن المهمة وتوليد الطاقة المتجددة. ومع ذلك، فإن تحقيق التوازن بين حركة الأيونات السريعة والانتقائية العالية يظل تحديًا علميًا وهندسيًا كبيرًا. في هذه الدراسة، طور الباحثون أغشية تحتوي على ملايين الأنابيب النانوية الصغيرة من نيتريد البورون، والتي لها أسطح مشحونة وخصائص نقل غير عادية. عند وضعها بين المحاليل ذات تركيزات مختلفة من الملح، سمحت الأغشية للأيونات بالمرور بسرعة أكبر بكثير من المتوقع. وبرزت أيونات الليثيوم على وجه الخصوص، حيث تحركت بسرعة أكبر بنحو 31 مرة مما كان متوقعا. وأظهرت النتائج أيضًا انتقائية قوية، حيث تنتقل أيونات الليثيوم عبر القنوات بشكل أسرع بكثير من الأنواع الأخرى من الأيونات. نظام مستوحى من ثعبان البحر الكهربائي يحول تدفق الأيونات إلى طاقة قابلة للاستخدام. ولإثبات إمكانات النظام، أظهر كيم وفريقه أن الأغشية الصغيرة يمكن أن تولد طاقة كافية من المحاليل الملحية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية البسيطة. وأشار كيم إلى أنهم تمكنوا من تشغيل الساعة والآلة الحاسبة باستخدام هذا الأسلوب. إن مفهوم إنتاج الكهرباء من حركة الأيونات ليس جديدا، وكما أوضح كيم، تستخدم الثعابين الكهربائية مبدأ مماثلا في الطبيعة، حيث تولد دفعات كهربائية عن طريق التحكم في تدفق الأيونات عبر الخلايا المتخصصة المعروفة باسم الخلايا الكهربائية. تعتمد الخلايا الكهربائية على القنوات الأيونية لتحويل التدرجات الكيميائية إلى طاقة كهربائية، وهي عملية طبيعية ألهمت منذ فترة طويلة الجهود المبذولة لتكرار آليات مماثلة في الأنظمة الهندسية، بما في ذلك الأغشية التي تم تطويرها في هذه الدراسة. للمضي قدمًا، يهدف كيم وفريقه إلى استكشاف تطبيقات إضافية لهذه التكنولوجيا، مع التركيز بشكل خاص على قدرة الأنابيب النانوية على فصل الليثيوم. وأشار إلى أنه من الممكن استخدام النتائج لاستعادة الليثيوم من بطاريات النفايات، حيث يخطط الفريق أيضًا للتحقيق في الفيزياء الأساسية بمزيد من التفصيل لفهم أفضل لما يدفع النقل الأيوني السريع غير المعتاد الذي لوحظ في النظام.
تم النشر: 2026-06-21 06:04:00
